重介質旋流器流場的數值模擬

張鵬

摘 要：利用計算流體力學分析的軟件對重介質旋流器的內部流場進行研究和分析。通過對切向和軸向速度分量、壓力分布特性和流量進行模擬、分析，為進行小直徑重介質旋流器的試驗研究作了有益的嘗試。

關鍵詞：旋流器；模型；數值模擬；流場

中圖分類號：TD455+.7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）11-0064-01

重介質旋流器的幾何結構對分選性能的影響很大，幾何結構參數的優化可有效提高重介質旋流器的分選效率。影響重介質旋流器分選性能的結構因素很多，但是，由于試驗條件的限制和試驗誤差的存在，通過實際試驗研究對旋流器結構尺寸進行優化，不但費用昂貴，而且費時、費力。輔助以理論分析、計算和流場模擬等方法來研究旋流器內部流體流動規律和結構尺寸變化對分離性能和壓力特性的影響等，可以極大地縮短研究周期和試驗費用，并獲取更完整的重介質旋流器內部的流動狀態和其他相關信息。

1 數值模擬前期條件

1.1 模擬軟件

目前，全世界大約有30多種計算流體學分析的商業軟件包，國內常用的有FLUENT、CFX、ANSYS軟件等。在工程模擬中，較常用的是FLUENT軟件。本文采用FLUENT6.3軟件對旋流器內流場進行模擬。

1.2 湍流模型選型

國內對旋流器的數值模擬研究主要集中在K-ε模型的研究上，它分為標準K-ε模型、RNGK-ε模型和RSM模型。綜合之前的研究情況，本文采用大漩渦模擬（LES）。

2 數值模擬結果及分析

2.1 切向速度分量

在旋流器內任取3個截面，模擬結果為：切向速度由內向外先迅速增大，然后又減小。在切向速度分布中出現了雙峰現象，切向速度的雙渦結構體現出了旋流器內部流場是由內部準強制渦與外部準自由渦組成的組合渦。切向速度方向的一致性證明了旋流器內外螺旋的方向是一致的。以最大速度點為界，速度場分為內旋流區和外旋流區兩部分。雖然該模型大致模擬出了這種結構，但是卻夸大了準強制渦的范圍，而且各個截面上的最大切向速度值點所在的位置不一致。出現這種結果的主要原因是網格的劃分，這與所采用的湍流模型本身也有直接關系。旋流器的切向速度分布呈現出典型的Rankine組合渦形態。

2.2 軸向速度分量

在旋流器內任取3個截面，3個截面均是靠錐段上部區域。從模擬結果中可以看出，軸向速度在接近旋流器器壁處方向向下，沿著朝向旋流器軸心方向逐漸減小。速度曲線通過零位后改變方向，開始上升，數值逐漸增大。另外，需特別注意的是，

在零軸速包絡面（LZVV）附近有一個低速區，這是因為有閉環渦流存在。這個區域內的固相顆粒只能沿徑向向中心運動進入內旋流，而不能運動到旋流器錐部下方被分離。這說明，此區是個“低效區”，進入其中的固相顆粒難以被分離，除非在上升到旋流器上部柱段時，它又能靠離心力進入待分離懸浮流進行再次分離。但這些有待于作進一步的研究，只有研究后才能知道這個“低效區”能否被取消或減小。

2.3 流量比較

根據前面的試驗實測值，取入料口速度為4.5 m/s，使用FLUENT軟件進行單相模擬數值計算，結果詳.其中，在實測值中，入料口速度是通過流量和入料口面積計算所得，模擬值中入料口速度為設置值。

在相同的結構參數下，清水運行結果、帶介運行結果和模擬值之間都存在不小的差異。這是由于在數值模擬過程中各種科學假設和試驗誤差造成的。所以，在對旋流器定量研究中，一方面需要更為精確地檢測設備和方法，以減小試驗誤差，并得到更為真實的模擬設置值；另一方面，在數值模擬中，有待使用更加合理的科學假說和更精確的流態模型來進行運算。

3 結論

應用FLUENT軟件對小直徑重介質旋流器的內部流場、壓力場進行數值模擬計算。通過數值模擬發現，大漩渦模擬（LES）模型完全可以實現對旋流器流場的精確模擬。盡管目前數值模擬只能大體反映流場的某些情況，且部分計算值還存在相當大的偏差，但是，對旋流器性能的研究還是要通過試驗獲得相關信息的。計算流體力學的數值模擬為旋流器的研究、發展開辟了一條讓人無限憧憬的路。隨著計算機技術的進步和對旋流器流場、流體的流變特性的深入研究，數值模擬必將為旋流器的研究作出巨大的貢獻。

〔編輯：白潔〕

摘 要：利用計算流體力學分析的軟件對重介質旋流器的內部流場進行研究和分析。通過對切向和軸向速度分量、壓力分布特性和流量進行模擬、分析，為進行小直徑重介質旋流器的試驗研究作了有益的嘗試。

關鍵詞：旋流器；模型；數值模擬；流場

中圖分類號：TD455+.7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）11-0064-01

重介質旋流器的幾何結構對分選性能的影響很大，幾何結構參數的優化可有效提高重介質旋流器的分選效率。影響重介質旋流器分選性能的結構因素很多，但是，由于試驗條件的限制和試驗誤差的存在，通過實際試驗研究對旋流器結構尺寸進行優化，不但費用昂貴，而且費時、費力。輔助以理論分析、計算和流場模擬等方法來研究旋流器內部流體流動規律和結構尺寸變化對分離性能和壓力特性的影響等，可以極大地縮短研究周期和試驗費用，并獲取更完整的重介質旋流器內部的流動狀態和其他相關信息。

1 數值模擬前期條件

1.1 模擬軟件

目前，全世界大約有30多種計算流體學分析的商業軟件包，國內常用的有FLUENT、CFX、ANSYS軟件等。在工程模擬中，較常用的是FLUENT軟件。本文采用FLUENT6.3軟件對旋流器內流場進行模擬。

1.2 湍流模型選型

國內對旋流器的數值模擬研究主要集中在K-ε模型的研究上，它分為標準K-ε模型、RNGK-ε模型和RSM模型。綜合之前的研究情況，本文采用大漩渦模擬（LES）。

2 數值模擬結果及分析

2.1 切向速度分量

在旋流器內任取3個截面，模擬結果為：切向速度由內向外先迅速增大，然后又減小。在切向速度分布中出現了雙峰現象，切向速度的雙渦結構體現出了旋流器內部流場是由內部準強制渦與外部準自由渦組成的組合渦。切向速度方向的一致性證明了旋流器內外螺旋的方向是一致的。以最大速度點為界，速度場分為內旋流區和外旋流區兩部分。雖然該模型大致模擬出了這種結構，但是卻夸大了準強制渦的范圍，而且各個截面上的最大切向速度值點所在的位置不一致。出現這種結果的主要原因是網格的劃分，這與所采用的湍流模型本身也有直接關系。旋流器的切向速度分布呈現出典型的Rankine組合渦形態。

2.2 軸向速度分量

在旋流器內任取3個截面，3個截面均是靠錐段上部區域。從模擬結果中可以看出，軸向速度在接近旋流器器壁處方向向下，沿著朝向旋流器軸心方向逐漸減小。速度曲線通過零位后改變方向，開始上升，數值逐漸增大。另外，需特別注意的是，

在零軸速包絡面（LZVV）附近有一個低速區，這是因為有閉環渦流存在。這個區域內的固相顆粒只能沿徑向向中心運動進入內旋流，而不能運動到旋流器錐部下方被分離。這說明，此區是個“低效區”，進入其中的固相顆粒難以被分離，除非在上升到旋流器上部柱段時，它又能靠離心力進入待分離懸浮流進行再次分離。但這些有待于作進一步的研究，只有研究后才能知道這個“低效區”能否被取消或減小。

2.3 流量比較

根據前面的試驗實測值，取入料口速度為4.5 m/s，使用FLUENT軟件進行單相模擬數值計算，結果詳.其中，在實測值中，入料口速度是通過流量和入料口面積計算所得，模擬值中入料口速度為設置值。

在相同的結構參數下，清水運行結果、帶介運行結果和模擬值之間都存在不小的差異。這是由于在數值模擬過程中各種科學假設和試驗誤差造成的。所以，在對旋流器定量研究中，一方面需要更為精確地檢測設備和方法，以減小試驗誤差，并得到更為真實的模擬設置值；另一方面，在數值模擬中，有待使用更加合理的科學假說和更精確的流態模型來進行運算。

3 結論

應用FLUENT軟件對小直徑重介質旋流器的內部流場、壓力場進行數值模擬計算。通過數值模擬發現，大漩渦模擬（LES）模型完全可以實現對旋流器流場的精確模擬。盡管目前數值模擬只能大體反映流場的某些情況，且部分計算值還存在相當大的偏差，但是，對旋流器性能的研究還是要通過試驗獲得相關信息的。計算流體力學的數值模擬為旋流器的研究、發展開辟了一條讓人無限憧憬的路。隨著計算機技術的進步和對旋流器流場、流體的流變特性的深入研究，數值模擬必將為旋流器的研究作出巨大的貢獻。

〔編輯：白潔〕

摘 要：利用計算流體力學分析的軟件對重介質旋流器的內部流場進行研究和分析。通過對切向和軸向速度分量、壓力分布特性和流量進行模擬、分析，為進行小直徑重介質旋流器的試驗研究作了有益的嘗試。

關鍵詞：旋流器；模型；數值模擬；流場

中圖分類號：TD455+.7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）11-0064-01

重介質旋流器的幾何結構對分選性能的影響很大，幾何結構參數的優化可有效提高重介質旋流器的分選效率。影響重介質旋流器分選性能的結構因素很多，但是，由于試驗條件的限制和試驗誤差的存在，通過實際試驗研究對旋流器結構尺寸進行優化，不但費用昂貴，而且費時、費力。輔助以理論分析、計算和流場模擬等方法來研究旋流器內部流體流動規律和結構尺寸變化對分離性能和壓力特性的影響等，可以極大地縮短研究周期和試驗費用，并獲取更完整的重介質旋流器內部的流動狀態和其他相關信息。

1 數值模擬前期條件

1.1 模擬軟件

目前，全世界大約有30多種計算流體學分析的商業軟件包，國內常用的有FLUENT、CFX、ANSYS軟件等。在工程模擬中，較常用的是FLUENT軟件。本文采用FLUENT6.3軟件對旋流器內流場進行模擬。

1.2 湍流模型選型

國內對旋流器的數值模擬研究主要集中在K-ε模型的研究上，它分為標準K-ε模型、RNGK-ε模型和RSM模型。綜合之前的研究情況，本文采用大漩渦模擬（LES）。

2 數值模擬結果及分析

2.1 切向速度分量

在旋流器內任取3個截面，模擬結果為：切向速度由內向外先迅速增大，然后又減小。在切向速度分布中出現了雙峰現象，切向速度的雙渦結構體現出了旋流器內部流場是由內部準強制渦與外部準自由渦組成的組合渦。切向速度方向的一致性證明了旋流器內外螺旋的方向是一致的。以最大速度點為界，速度場分為內旋流區和外旋流區兩部分。雖然該模型大致模擬出了這種結構，但是卻夸大了準強制渦的范圍，而且各個截面上的最大切向速度值點所在的位置不一致。出現這種結果的主要原因是網格的劃分，這與所采用的湍流模型本身也有直接關系。旋流器的切向速度分布呈現出典型的Rankine組合渦形態。

2.2 軸向速度分量

在旋流器內任取3個截面，3個截面均是靠錐段上部區域。從模擬結果中可以看出，軸向速度在接近旋流器器壁處方向向下，沿著朝向旋流器軸心方向逐漸減小。速度曲線通過零位后改變方向，開始上升，數值逐漸增大。另外，需特別注意的是，

在零軸速包絡面（LZVV）附近有一個低速區，這是因為有閉環渦流存在。這個區域內的固相顆粒只能沿徑向向中心運動進入內旋流，而不能運動到旋流器錐部下方被分離。這說明，此區是個“低效區”，進入其中的固相顆粒難以被分離，除非在上升到旋流器上部柱段時，它又能靠離心力進入待分離懸浮流進行再次分離。但這些有待于作進一步的研究，只有研究后才能知道這個“低效區”能否被取消或減小。

2.3 流量比較

根據前面的試驗實測值，取入料口速度為4.5 m/s，使用FLUENT軟件進行單相模擬數值計算，結果詳.其中，在實測值中，入料口速度是通過流量和入料口面積計算所得，模擬值中入料口速度為設置值。

在相同的結構參數下，清水運行結果、帶介運行結果和模擬值之間都存在不小的差異。這是由于在數值模擬過程中各種科學假設和試驗誤差造成的。所以，在對旋流器定量研究中，一方面需要更為精確地檢測設備和方法，以減小試驗誤差，并得到更為真實的模擬設置值；另一方面，在數值模擬中，有待使用更加合理的科學假說和更精確的流態模型來進行運算。

3 結論

應用FLUENT軟件對小直徑重介質旋流器的內部流場、壓力場進行數值模擬計算。通過數值模擬發現，大漩渦模擬（LES）模型完全可以實現對旋流器流場的精確模擬。盡管目前數值模擬只能大體反映流場的某些情況，且部分計算值還存在相當大的偏差，但是，對旋流器性能的研究還是要通過試驗獲得相關信息的。計算流體力學的數值模擬為旋流器的研究、發展開辟了一條讓人無限憧憬的路。隨著計算機技術的進步和對旋流器流場、流體的流變特性的深入研究，數值模擬必將為旋流器的研究作出巨大的貢獻。

〔編輯：白潔〕